Biocatalytic anti-Prelog reduction of prochiral ketones with whole cells of Acetobacter pasteurianus GIM1.158
- 作者
- Peng-Xuan Du, Ping Wei, Wen-Yong Lou, Min-Hua Zong
- 单位
- Laboratory of Applied Biocatalysis, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; State Key Laboratory of Pulp and Paper Engineering, College of Light Industry and Food Sciences, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China
- 杂志
- Microbial Cell Factories（2014）
- DOI
- 10.1186/1475-2859-13-84
- 所属领域
- 发酵工程
- 关键词
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解决的核心问题
开发高效且对映选择性的anti-Prelog全细胞生物催化剂，用于前手性酮的不对称还原，克服现有催化剂活性低、对映选择性差及底物耐受性有限的问题，以制备光学纯(R)-醇。
研究策略
筛选多种微生物菌株，确定Acetobacter pasteurianus GIM1.158为高效催化剂；系统优化反应温度、缓冲液pH、辅底物种类及浓度、底物浓度、菌体浓度和摇床转速等关键变量；考察底物谱；并在200 mL规模上进行制备级验证。
核心内容
本研究利用醋酸菌Acetobacter pasteurianus GIM1.158全细胞催化剂，系统开发了前手性酮的anti-Prelog不对称还原体系。通过筛选多种微生物，确定该菌株为高效催化剂，并系统优化了温度、pH、辅底物浓度等关键参数。在最优条件（35°C、pH 5.0、异丙醇500 mmol/L）下，2-辛酮还原制备(R)-2-辛醇的产率在70分钟内达到89.5%，对映选择性大于99.9%，显著高于文献报道的55%产率。在200 mL放大实验中，化学产率进一步提高至95.0%。该菌株对2-戊酮、频哪酮、4'-氯苯乙酮等多种前手性酮均表现出广谱催化活性，产物e.e.均大于92%，多数产率超过90%；其中3-氯苯丙酮还原产率达94.9%、e.e. 99.7%，优于已报道的Candida utilis体系。结果表明该菌株兼具高活性、高对映选择性和良好底物兼容性，为光学纯(R)-醇的绿色制备提供了有潜力的生物催化平台。
创新点
首次将Acetobacter pasteurianus GIM1.158应用于前手性酮的anti-Prelog不对称还原；在优化条件下将(R)-2-辛醇的产率从文献报道的55%显著提高至89.5%（反应70 min），对映选择性>99.9%；200 mL放大产率达95.0%；该菌株对多种前手性酮类底物均表现出高催化活性和高对映选择性。
研究对象（2）
| 底盘细胞 | 代谢通路 | 基因 | 蛋白 | 功能 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| Acetobacter pasteurianus GIM1.158 | 前手性酮不对称还原（anti-Prelog） | — | 羰基还原酶（carbonyl reductase） | 催化 | 全细胞催化剂，催化2-辛酮还原为(R)-2-辛醇 |
| Acetobacter pasteurianus GIM1.158 | 辅因子再生 | — | — | 能量供给 | 以异丙醇作为辅底物再生NADH/NADPH，维持还原反应 |
关键发现
- 优化反应条件为：温度35°C、缓冲液pH
- 0、辅底物异丙醇浓度500 mmol/L、底物2-辛酮浓度40 mmol/L、菌体浓度25 mg/mL、摇床转速120 r/min。在此条件下，最大产率为89.5%，产物e.e. >99.9%，反应时间70 min。200 mL制备级反应中，化学产率提高至95.0%，e.e. >99.9%。与文献中水相体系最佳产率55%相比显著提高。该菌株能催化多种前手性酮（2-戊酮、频哪酮、4'-氯苯乙酮等）的anti-Prelog还原，产物e.e.均>92.0%，多数产率超过90%。例如，乙基乙酰乙酸乙酯产率85.8%（优于Acetobacter sp. CCTCC M209061的82.6%），3-氯苯丙酮还原产率94.9%、e.e.
- 7%（优于Candida utilis的85%和99.5%）。
研究结论
利用Acetobacter pasteurianus GIM1.158全细胞可高效催化anti-Prelog不对称还原2-辛酮制备(R)-2-辛醇，在优化条件下产率可达95.0%，产物e.e. >99.9%，且该菌对多种前手性羰基化合物具有广泛底物谱和高对映选择性，展现出良好的实验室及工业应用前景。